如何通俗易懂地學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議？

上一篇文章是寫的關(guān)于MQTT協(xié)議，感興趣可以看一下《MQTT協(xié)議，終于有人講清楚了》。

后來刷知乎的時(shí)候，看到下面這個(gè)問題。

這讓我回想起以前抱著TCP/IP協(xié)議啃到放棄的慘痛經(jīng)歷，然后看到一個(gè)高贊回答，思路明朗了很多，所謂授人以魚不如授人以漁，下面簡單和大家分享一下。

我想和提問者說幾點(diǎn)，你之所以不知道TCP/IP協(xié)議那套書在講什么，是因?yàn)槟氵€沒有認(rèn)識(shí)到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有什么用，怎么用，以什么形式在使用，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的概念很簡單，就幾句話，你只知道網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的概念，只知道很多大神都推薦這套書，都強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的重要性，于是你就去找了這本書，然后看著書上的每個(gè)字你認(rèn)得，串在一起就不知道在講什么！

那是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)協(xié)議本來就很抽象，你要把抽象的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議形象化才能更好的理解，最好是先理解具體的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是起什么作用，然后再學(xué)習(xí)它的工作過程。

你把網(wǎng)絡(luò)協(xié)議想象成人與人之間的禮儀行為，不同的場合有不同的禮儀行為，人是實(shí)施不同禮儀行為的主體。

同樣，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是實(shí)施網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的主體，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與其他的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行交流。同樣的道理，你的電腦想要與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備交流，也要與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一樣運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也是一個(gè)軟件，是以系統(tǒng)組件的方式安裝在你的電腦的操作系統(tǒng)里的。

想象一下，你想在你的電腦上通過QQ與朋友聊天的前提是不是你的電腦和朋友的電腦上都安裝有QQ這個(gè)軟件？ 我一直覺得對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)初學(xué)者來說，知道“為什么這么做”比“知道怎么做”更重要，雖然經(jīng)歷知道“為什么這么做？”的過程很痛苦，但一旦過了這個(gè)階段，“知道怎么做”也就水到渠成了。

但是對(duì)于初學(xué)者來說，真沒必要那么深入地學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的細(xì)節(jié)，你只需要理解常見協(xié)議（例如HTTP、FTP、DHCP、DNS、ARP等常見協(xié)議）的工作過程，你理解了這些協(xié)議，理解其他的協(xié)議就是依葫蘆畫瓢，雖然計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)很講究知識(shí)的積累，但如果你一開始把太多的精力放在了解細(xì)節(jié)上就會(huì)陷進(jìn)只見樹木不進(jìn)森林的境地。

例如，數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)，瀏覽一下各字段的作用就可以了，能記住就記住，記不住也沒關(guān)系，你只需要先重點(diǎn)理解IP頭部里的目的地址、源地址和TCP頭部里的目的端口號(hào)、源端口號(hào)。

在日常生活中，我們要傳遞信息，以前最常用的手段是郵寄信件，想象一下你寫信寄信的過程：

• 寫信產(chǎn)生數(shù)據(jù)；
• 寄信傳遞數(shù)據(jù)；

標(biāo)準(zhǔn)的信件格式是要在信封上寫“收信人地址”和“寄信人地址”（由此引入IP地址）。

• “收信人地址”對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)包里IP頭部中的“目的IP地址”
• “寄信人地址”對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)包里IP頭部中的“源IP地址”

寫上寄信、收信兩個(gè)地址就可以保證信件可以郵寄到目的地了。

但信件郵寄到目的地址后由誰來收？

從上面這封信的收件人地址檢索到這個(gè)地址是“沈陽大學(xué)”的，沈陽大學(xué)里可能住著幾萬人，那你這封信是郵寄給居住沈陽大學(xué)里的那個(gè)人的？

收件人不明確，郵局就算幫你把信件送到這個(gè)地址，也沒辦法幫你投遞到具體的收信人。

因此，我們郵件信件需要填寫“收件人姓名”、“收件人地址”和“寄件人姓名”、“寄件人地址”的組合，這樣才能保證信件能準(zhǔn)確投遞到具體的收件人手中。

所以我們要在信件上添加收信人姓名和寄信人姓名（由此引入端口號(hào)）。

• 收件人姓名就對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)包里TCP協(xié)議頭部中的目的端口號(hào)；
• 寄信人姓名對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)包里TCP協(xié)議頭部中的源端口號(hào)。

我們?cè)賮韺?duì)比傳遞信件與傳遞數(shù)據(jù)包的過程：

1. 首先是位于南寧的李小明給沈陽的王小花通過QQ發(fā)送了一條消息，李小明的電腦將此消息打包成TCP數(shù)據(jù)包發(fā)送到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通過數(shù)據(jù)包中的目的IP地址把該數(shù)據(jù)包準(zhǔn)確傳遞到王小花的電腦。

2. 王小花的電腦收到了李小明的電腦發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包，但是王小花的電腦上同時(shí)運(yùn)行有多個(gè)程序（例如圖中的QQ和微信），雖然王小花的電腦知道這個(gè)數(shù)據(jù)包是傳輸給它的，但是它不知道該把這個(gè)數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)交給那個(gè)程序（就像上面講的，信件雖然郵寄到了沈陽大學(xué)，但沈陽大學(xué)里住著那么多人，這封信上沒有標(biāo)示說是郵寄給誰的）。

3. 針對(duì)以上的問題。如果我們使用數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)中的源端口號(hào)和目的端口號(hào)，根據(jù)不同的程序使用不同的端口號(hào)來發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，這樣數(shù)據(jù)包就能像郵寄信件一樣準(zhǔn)確投遞到具體的電腦上指定的程序了。

例如我們指定QQ和微信使用的端口號(hào)分別是8000和8080，那么只要你的電腦接收的數(shù)據(jù)包里目的端口號(hào)是8000，那這個(gè)數(shù)據(jù)包就是傳輸給QQ的。

由上面的例子我們還可以引申出數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)中的其他字段的作用，例如我們收到信后可以簡單地通過信封是否完整來檢查該信件是否被別人在傳輸途中拆開并篡改過信件內(nèi)容，那么我們?cè)趺幢ＷC我們收到的數(shù)據(jù)包里的數(shù)據(jù)有沒有在中途被別人拆開修改過呢？

數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)中有一個(gè)字段叫TCP校驗(yàn)和就是專門做這個(gè)工作的。由數(shù)據(jù)包的字段可以看出，很多字段都有其用處，只是我們一開始學(xué)的時(shí)候沒必要學(xué)的那么仔細(xì)而已。

一定要形象地理解數(shù)據(jù)包，簡單的想一下，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)不就是幫助我們傳遞信息的嗎？

對(duì)于郵寄信件來說，信息的載體是信紙和信封，那計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中信息的載體是什么？

就是各種類型的數(shù)據(jù)包啊！數(shù)據(jù)包里有我們關(guān)心的信息，也有我們不關(guān)心的花銷，我們要學(xué)的就是如何使網(wǎng)絡(luò)按照我們的要求傳遞信息。

例如，我們郵寄信件，有平信，有掛號(hào)信，根據(jù)不同的應(yīng)用場景選擇不同的郵寄方式。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)里信息傳輸也是一樣，針對(duì)不同的場景使用不同的協(xié)議， 有些場景需要多種協(xié)議同時(shí)配合使用。

上面那個(gè)QQ的例子不太嚴(yán)謹(jǐn)，因?yàn)镼Q和微信的信息都是通過騰訊服務(wù)器中轉(zhuǎn)的，但你是初學(xué)者沒必要一開始就深究這些細(xì)節(jié)，總之要學(xué)會(huì)把一切抽象的東西都對(duì)照生活中的一些場景使之形象化。

這樣你的學(xué)習(xí)過程就不會(huì)那么枯燥乏味了。

再來看一下為什么需要網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，我們看下圖的簡單類比：

從上圖可以看出，我們郵寄信件只是想要把我們寫在信紙信息傳遞出去，對(duì)于我們來說，郵寄信件需要購買信封和郵票，這對(duì)于我們來說是沒有意義的，甚至我們會(huì)覺得連信紙都是多余的，因?yàn)檫€要購買信紙，我們只是想傳遞信息而已，信封、郵票和信紙對(duì)于我們來說是傳遞信息的額外花銷，但是沒有這些花銷，你的信息就無法通過郵局傳遞。

同理，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)里也是一樣的，我們的通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳遞信息也需要額外的花銷，這些花銷體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)里就是TCP/IP的各種協(xié)議數(shù)據(jù)包的頭部（除去應(yīng)用層數(shù)據(jù)之外的其他信息）。

你要知道計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)里的數(shù)據(jù)交換都是像我們?nèi)粘｀]寄信件一樣通過各種的數(shù)據(jù)包來傳遞的，理解了數(shù)據(jù)包的作用之后你就應(yīng)該開始學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是如何把數(shù)據(jù)包傳輸?shù)侥康牡氐?/strong>？

例如我們的電腦在生成數(shù)據(jù)包時(shí)是怎么知道對(duì)方電腦的IP地址的，（由此引入DNS）？

我們的信件是最開始是通過郵局幫我們郵寄的，那么我們的電腦的數(shù)據(jù)包應(yīng)該由誰來幫我們傳輸呢？（由此引入網(wǎng)關(guān)），網(wǎng)關(guān)又是如何幫我們把數(shù)據(jù)包傳輸?shù)侥康牡氐?？（由此引入各種路由協(xié)議）。

所以，你想要學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，就要先把一些基本的協(xié)議的作用和工作過程搞清楚，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備還沒智能到人腦的程度，它是由人類創(chuàng)造出來的，它的工作過程肯定是符合人類的交流習(xí)慣，按照人類的交流習(xí)慣來設(shè)計(jì)的。

所以要以人類的思維方式去理解這些協(xié)議。

例如，你給別人打電話，不可能電話一接通你就啪啦啪啦地說一大通，萬一對(duì)方接通電話后因?yàn)橛惺逻€沒來得及傾聽呢？

這不太符合正常人類的交流習(xí)慣。

一般是電話接通后，雙方一般會(huì)有個(gè)交互的過程，一般是你說一聲“你好”，然后對(duì)方也回復(fù)一聲“你好”，雙方通過各自一句“你好”明確對(duì)方的注意力都放在了電話溝通上，然后你們雙方就可以開始交流了，這才是正常的人類交流方式，這個(gè)過程體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)里就是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議！

• TCP協(xié)議在兩臺(tái)電腦建立網(wǎng)絡(luò)連接之前要先發(fā)數(shù)據(jù)包進(jìn)行溝通，溝通后再建立連接，然后才是信息的傳輸。

• UDP協(xié)議就類似于我們的校園廣播，廣播內(nèi)容已經(jīng)通過廣播站播放出去了，你能不能聽到，那就與廣播站無關(guān)了，正常情況下，不可能你說沒注意聽然后再讓廣播站再播放一次廣播內(nèi)容。

同理，我們來看一下網(wǎng)絡(luò)廣播，對(duì)于某一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)廣播，只要發(fā)送一個(gè)網(wǎng)絡(luò)廣播包，這個(gè)子網(wǎng)里的所有電腦都能收到這些廣播包，這是一個(gè)很方便的通知機(jī)制，但是會(huì)增加對(duì)廣播數(shù)據(jù)不感興趣主機(jī)的處理負(fù)荷。

類似我們的校園廣播，校園廣播一開啟播放，校園里的所有人都能聽到，但是不是所有人都對(duì)廣播內(nèi)容感興趣，有些人選擇傾聽，有些人選擇忽略。

但不管你是傾聽還是忽略，廣播的聲音都會(huì)傳到你的耳邊。

例如，校園廣播一條失物招領(lǐng)通知，你根本沒丟東西，所以這個(gè)廣播內(nèi)容與你無關(guān)，但是廣播的聲音還是會(huì)傳到你的耳邊。

對(duì)比廣場舞音樂，對(duì)于跳廣場舞的大媽大嬸來說，這就是音樂，對(duì)于想睡覺的你來說，這就是噪音。

知道什么叫網(wǎng)絡(luò)廣播風(fēng)暴嗎？如果你在晚上八九點(diǎn)去過你們當(dāng)?shù)氐膹V場，你就會(huì)有深刻的理解，廣播上被劃分了若干個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都有幾個(gè)高分貝的立體聲喇叭，“我從草原來。。。”等各種廣場舞音樂不斷襲來，整個(gè)廣場上空像打雷一樣，你從邊上走過都覺得頭疼，更不用說在廣場里卿卿我我談情說愛。

怎樣才能更好地理解常見的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議？

學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議就是要先學(xué)習(xí)它的工作過程，例如DHCP協(xié)議，協(xié)議大概是這樣講的：啟用了DHCP協(xié)議的電腦啟動(dòng)后便會(huì)發(fā)送廣播數(shù)據(jù)包網(wǎng)絡(luò)中尋找DHCP服務(wù)器，如果網(wǎng)絡(luò)中有DHCP服務(wù)器，這臺(tái)DHCP服務(wù)器便會(huì)發(fā)送廣播數(shù)據(jù)包與你的電腦進(jìn)行響應(yīng)。 這個(gè)過程很簡單，就是我想要獲取ip地址，然后你給我提供一個(gè)。想象一下如果你是DHCP協(xié)議的設(shè)計(jì)者，你會(huì)考慮到在ip獲取和分配過程中會(huì)有哪些特殊情況呢？

• 第一種，如果在你啟動(dòng)電腦的過程中網(wǎng)絡(luò)中的dhcp服務(wù)器剛好宕機(jī)了，這時(shí)怎么辦？讓你的電腦一直徒勞地發(fā)送尋找DHCP服務(wù)器的廣播包嗎？還是在發(fā)現(xiàn)沒有DHCP服務(wù)器與你響應(yīng)后就再也不發(fā)了？還是每隔一段時(shí)間就再發(fā)送一次尋找DHCP服務(wù)器的廣播包？

• 第二種，如果DHCP服務(wù)器的可用ip地址剛好已經(jīng)分配完了，那又怎么處理？

• 第三種，如果網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)有兩臺(tái)以上的DHCP服務(wù)器，那又該怎么處理？

• 第四種，對(duì)于已經(jīng)分配出去的ip地址就這么一直保持分配出去的狀態(tài)嗎？還是要回收？如果要回收？是我去問你還要不要使用這個(gè)ip地址？還是我設(shè)定一個(gè)回收的時(shí)間？只要你在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)你沒有再次聯(lián)系我重新獲取這個(gè)ip地址我就把它回收？等等。。。   通過這樣的思考你可以發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議其實(shí)也是按照人的思維方式在工作，但是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不會(huì)像人一樣思考，所以我們當(dāng)初給它設(shè)計(jì)各種協(xié)議的時(shí)候就要盡可能地為它想到這些協(xié)議所要應(yīng)對(duì)的場景。

例如，你可以先學(xué)習(xí)ARP協(xié)議的工作過程，然后再百度搜索ARP攻擊是怎么回事？就是利用ARP協(xié)議設(shè)計(jì)的不嚴(yán)謹(jǐn)，偽造ARP數(shù)據(jù)包篡改網(wǎng)絡(luò)里其他電腦的ARP緩存列表。

ARP協(xié)議采用廣播發(fā)送協(xié)議數(shù)據(jù)包，這就導(dǎo)致里網(wǎng)絡(luò)里的每一臺(tái)電腦都會(huì)收到ARP的協(xié)議數(shù)據(jù)包，而ARP協(xié)議規(guī)定即使你的電腦沒有發(fā)出arp請(qǐng)求，只要有ARP回應(yīng)包到達(dá)你的主機(jī)，你就要對(duì)這些協(xié)議包進(jìn)行處理，并將回應(yīng)包中的mac和ip對(duì)應(yīng)關(guān)系放入自己的arp緩存。

如果ARP回應(yīng)包里面的網(wǎng)關(guān)IP與ARP對(duì)應(yīng)關(guān)系是正確的，這個(gè)問題不大，但如果有人在網(wǎng)絡(luò)中偽造了錯(cuò)誤的網(wǎng)關(guān)IP與ARP對(duì)應(yīng)關(guān)系并廣播到網(wǎng)絡(luò)里，那就出問題了，你可能也意識(shí)到你上不了網(wǎng)是因?yàn)榫W(wǎng)關(guān)IP對(duì)應(yīng)的ARP對(duì)應(yīng)關(guān)系出錯(cuò)，但是沒有辦法，因?yàn)槟愕碾娔X上運(yùn)行的ARP協(xié)議規(guī)定，你的電腦必須要接受這個(gè)錯(cuò)誤的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這就是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)的不嚴(yán)謹(jǐn)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)ARP協(xié)議的時(shí)候沒有想到居然會(huì)有人在網(wǎng)絡(luò)中偽造ARP回應(yīng)包并廣播到網(wǎng)絡(luò)中。

如果你看《TCP/IP詳解》這套書覺得很吃力，那就建議暫時(shí)不要看了，強(qiáng)烈建議你先看《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)自頂向下方法與Internet特色》這本書，這本書對(duì)常見的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的工作過程進(jìn)行了分析，可讀性很強(qiáng)，看起來比《TCP/IP詳解》輕松多了，了解了常見協(xié)議的工作過程你就可以動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證這個(gè)協(xié)議的工作過程了，建議先使用模擬器來做實(shí)驗(yàn)，像cisco packet tracer 就很好用，它有個(gè)模擬功能可以像看動(dòng)畫一樣看到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包是如何在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中傳輸和交互的，對(duì)了解協(xié)議的工作過程非常有用，還有抓取數(shù)據(jù)包的功能，可以抓去指定協(xié)議的數(shù)據(jù)包進(jìn)行查看。

使用真實(shí)設(shè)備通過在電腦上安裝抓包工具進(jìn)行抓包也可以，只不過沒有模擬器上看得那么直觀，對(duì)于初學(xué)者還是建議先以模擬器做實(shí)驗(yàn)為主，因?yàn)槟憧梢院苤庇^地觀察你所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況，更容易把心放在學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的工作過程上。

你提問的是“TCP/IP協(xié)議到底在講什么？”，你可能不太了解，TCP/IP協(xié)議是一個(gè)協(xié)議族，是一大堆網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的集合，你看的那套書有三卷，每一卷都是很厚的，就算其他大神能幫你用通俗易懂的文字表達(dá)出來，我估計(jì)這個(gè)帖子打印出來也不會(huì)比那本書薄很多，還是先從簡單的學(xué)起吧！